一種具有中間像的星敏感器成像結構的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種具有中間像的星敏感器成像結構，包括第一級鏡頭、中間消雜光光纖面板、第二級鏡頭、探測器消雜光光纖面板和光電探測器；所述結構第一次成像由第一級鏡頭成中間像，第二次成像由第二級鏡頭成最終像，兩次成像均為像方遠心光路；所述中間消雜光光纖面板設置在第一級鏡頭的成像平面處，其前端面與第一級鏡頭像面一致，后端面作為第二次成像的目標；所述探測器消雜光光纖面板安裝在第二級鏡頭的像面處，其出口面緊密貼合光電探測器。本發明使星敏感器光學系統本身具有了消雜光功能，還可以使遮光罩尺寸和重量大幅度減小，甚至不用遮光罩，節省成本和資源，更加便于星體上安裝。
【專利說明】一種具有中間像的星敏感器成像結構
【技術領域】
[0001]本發明及一種飛行器姿態控制系統所應用的恒星測量敏感器，尤其是涉及一種具有中間像的星敏感器成像結構。
[0002]
【背景技術】
[0003]星敏感器是飛行器姿態控制系統所經常采用的一種姿態測量敏感器，在飛行器控制領域發揮非常重要的作用。星敏感器一般由光學成像系統、CXD (Charge CoupledDevices,電荷稱合器件)或APS (Active Pixel Sensor,有源像素傳感器)成像電子線路、DSP (Data Signal Processor,數字信號處理器)信息處理單元、星圖處理軟件、通訊接口等幾大部分構成。其中光學系統完成將恒星成像在CCD焦平面上的功能。
[0004]星敏感器光學系統與一般的成像系統相比具有如下的特點:
(I)對于點目標成像，不要求成像的細節，代之以較高的消色差和畸變水平，而且還要求像點在(XD/APS上占有至少2X2個像素，以便保證星點能量中心的準確提取。
[0005](2)要求采用全分離式光學結構設計，以防膠合面空間使用脫膠。
[0006](3)要求一定的彌散斑尺寸的調整能力，以便在標定時確定最終的彌散斑大小；
(4)要求各個光譜的彌散斑能量中心誤差在規定以內，一般不超過I微米；
(5)盡可能少的光學零件數目；
(6)盡可能小的鏡頭軸向尺寸和徑向尺寸；
(7)具有良好的內部消雜光特性。
[0007]國內外目前在該領域對其研究工作主要有以下方式，第一是在2004年第2期光子學報上發表的“折反式大視場星敏感器光學系統”;第二是在2004年第11期光子學報上發表的“輕小型星敏感器光學系統設計”；第三是在2005年第12期光子學報上發表的“寬視場大相對孔徑星敏感器光學系統設計”;第四件是ZL200610170214專利所提出的一種7片透鏡組成的光學系統。
[0008]上述已知技術均不完全具備以上所述的7個特點，而且都存在著各自的不足。
[0009]在“輕小型星敏感器光學系統設計”中提出的光學系統焦距22.7mm，相對孔徑1/1.4，視場角17.lo°X17.lo°,總長度與焦距之比為2:1，雖然視場較大，但是沒有設計為近遠心光路，對彌散斑調整帶來不便，另外像面位于最后一面的球心附近，易產生鬼像。
[0010]上述提出的一種折反射式星敏感器光學系統，視場角Φ 200,入瞳直徑36.3mm,相對孔徑1/1.2，焦距為43.56mm。該系統雖具有色差校正良好，覆蓋譜段寬等優點，其主要不足是外形尺寸較大，而且不是像方遠心光路；
上述提到的寬視場大相對孔徑星敏感器光學系統設計，雖然視場較大，相對孔徑也較高，但是使用了 9片鏡片(包括一片窗口)，而且采用了一個空間系統應避免采用的雙膠合結構，而且也不是像方近遠心光學系統，不便于彌散斑調整。
[0011]上述已有專利提到的7片透鏡組成的星敏感器光學系統結構形式雖然克服了許多缺點，但是在內部消雜光特性方面沒有考慮。
[0012]綜上所述，現有的星敏感器設計存在的問題主要是沒有考慮系統內部消雜光特性。
[0013]已有技術中的星敏感器光學系統，無論是哪種形式，都是由成像元件和焦平面探測器構成的，沒有消雜光光纖面板這種非成像元件。因此，以往的星敏感器光學系統不能抵擋來自外界進入鏡頭的雜光，導致探測器感光面上覆蓋一層背景雜光，嚴重時將使得星敏感器不能正常工作。
[0014]已有技術中的星敏感器光學系統主要的雜光光源來自太陽、地球大氣散射、月球反照，為了遮擋這種雜光，必須采用一個尺寸和重量很大的遮光罩，否則，視場外的太陽等雜光照射到鏡頭后，將在鏡頭內部引起很強的散射，甚至直接達到探測器上，造成強雜光干擾恒星成像，導致星敏感器失效。遮光罩尺寸和重量是星敏感器的一個較大負擔，而且遮光罩的消雜光能力也是有限的，只能遮擋某個角度以外的雜光，這個角度成為雜光抑制角，雜光抑制角以內的雜光遮光罩是無能為力的。
[0015]外遮光罩給星敏感器帶來的缺點如下:
(1)遮光罩在星敏感器外部，尺寸重量較大，帶來發射成本增加和星上安裝的不便；
(2)外遮光罩消雜光能力不足。主要體現在雜光抑制角距離視場角較遠，一般都在10°以上。
[0016]

【發明內容】

[0017]本發明的目的克服上述現有技術的缺陷，提出一種具有具有中間像的并具有內消雜光特性的綜合性能優良的星敏感器光學系統成像結構。本發明是通過以下技術方案實現的:
一種具有中間像的星敏感器成像結構，其特征在于:包括第一級鏡頭1、中間消雜光光纖面板2、第二級鏡頭3、探測器消雜光光纖面板4和光電探測器8 ;所述結構第一次成像由第一級鏡頭I成中間像，第二次成像由第二級鏡頭3成最終像，兩次成像均為像方遠心光路；所述中間消雜光光纖面板2設置在第一級鏡頭I的成像平面處，其前端面與第一級鏡頭I像面一致，后端面作為第二次成像的目標；所述探測器消雜光光纖面板4安裝在第二級鏡頭3的像面處，其出口面緊密貼合光電探測器8。
[0018]上述技術方案中，進一步的，所述第一級鏡頭I是一種具有像方遠心光學系統結構的光學系統，其成像彌散斑能量的80%集中于直徑為I個至3個光電探測器像素尺寸的圓內，具有小于3%的畸變差，具有小于1/2像素的倍率色差，具有10mm±5mm范圍的后截距，具有多片(5片、6片、7片、8片可選)分離鏡片，具有從0.45微米到可近紅外0.9微米的光譜段(譜段邊界可為0.45微米?0.85微米，0.5微米?0.8微米，0.5微米?0.85微米，并在此邊界基礎上再允許邊界在±0.05微米內略微調整)，光學鏡頭的F數范圍在1.5到4，典型值是 1.5、2、2.5、3、3.5、4。
[0019]進一步的，所述第二級鏡頭3是一種具有物方像方雙遠心光學系統結構的光學系統，放大倍率為光電探測器8最大尺寸與中間像尺寸之比，其成像彌散斑能量的80%集中于直徑為I個至3個光電探測器像素尺寸的圓內，具有小于3%的畸變差，具有小于1/2像素的倍率色差，具有10mm±5mm范圍的后截距，具有多片(5片、6片、7片、8片可選)分離鏡片，具有從0.45微米到可近紅外0.9微米的光譜段(譜段邊界可為0.45微米85微米，
0.5微米8微米，0.5微米85微米，并在此邊界基礎上再允許邊界在±0.05微米內略微調整)，光學鏡頭的F數范圍在2到4。
[0020]進一步的，所述中間消雜光光纖面板2和探測器消雜光光纖面板4由若干具有5^20mm長度的光纖并齊緊密排列而成，所有光纖等長排列，光纖面板的厚度等于每根光纖的長度，所有的光纖兩個端面均分別對齊，構成兩個合成的大面積有效端面，兩個大的有效端面是以小于10角秒公差平行分布，當光學圖像在一個大端面進入后，經過光纖內部多次反射，在另一個大端面出射，這樣相當于把光學成像面平移了光纖面板厚度的距離。
[0021]光纖面板的厚度確定可有兩種方式，一種是不小于光學鏡頭F數與有效端面直徑乘積的2倍，另一種方式是不限定長度，但是應在光纖面板內部的光纖之間縫隙填充黑色吸光材料，以防超過光纖全反射臨界孔徑入射的光線漏出光纖后進入像面。光纖面板采用的單根光纖直徑一般可在6微米左右，有的在5微米和4微米左右，還可以采用7微米和8微米的光纖，視需求而定，目前的工藝制作這樣的光纖是沒問題的。光纖面板的端面口徑現有工藝可以達到從幾個厘米到幾十個厘米。中間消雜光光纖面板是一個獨立的器件，通過外框結構固定在第一級或者第二級鏡頭結構上，探測器光纖面板的后端面與探測器光敏面的固定采用粘接方式，采用光學樹脂膠即可，除了膠粘外，還要采用機械輔助固定，現將光纖面板的邊緣裝在金屬框架里，再與探測器之間保持一定的安裝調整手段即可。
[0022]進一步的，所述光電探測器8為普通APS CMOS或者CXD成像器件，所不同的是前端的入射窗口已經取下，所述探測器感光面與探測器光纖面板之間采用光學粘接膠密貼粘合。探測器窗口取下的方法有多種，一種是直接用刀片沿著窗口粘貼縫隙割下，一種是用溶劑把窗口粘結膠融化下來。
[0023]進一步的，光纖面板的厚度確定可不限定長度，應以滿足力學環境條件和安裝固定方便為宜，所述光纖面板內部的光纖之間縫隙填充黑色吸光材料，以防超過光纖全反射臨界孔徑入射的光線漏出光纖后進入像面。中間消雜光光纖面板的有效直徑應滿足星敏感器的有效視場要求，在滿足沒有漸暈條件下保證星敏感器全視場要求。
[0024]光學成像鏡頭的安裝與已有技術相同，光纖面板和探測器的安裝是通過光學粘接膠和結構輔助支撐固定在探測器基座上，這樣本發明的成像結構可設計可安裝，因此時可實施的。
[0025]第一級鏡頭的半視場是ω，焦距是f,，中間消雜光光纖面板的端面直徑為D，探測器的對角線尺寸一般不大于D。并且。第二級鏡頭的倍率為β，探測器最大尺寸為A，則。
[0026]本發明所述成像結構是星敏感器光學系統的設計方案，其工作原理是，恒星目標輻射從無限遠入射到第一級鏡頭，由第一級鏡頭成中間像，中間像面與中間消雜光光纖面板的前段面一致，并通過光纖面板傳導到光纖面板的后端面，從后端面出射的光場與前端面采集到的光場除了在整體能量上有衰減外，仍具有中間像的特性，光纖面板后端面作為第二級鏡頭的物，經過第二級鏡頭成像到探測器光纖面板前端面，經過探測器光纖面板傳到后端面，后端面與探測器光敏面通過光學粘接膠密貼在一起，這樣探測器最終探測到探測器光纖面板后端面導出的光場分布。
[0027]在已有技術中，沒有消雜光光纖面板的應用，雖然有的光學系統具有中間像設計，并通過在中間像位置設置光欄以利于視場外雜光進入，但是消雜光能力還是有限的，對于星敏感器而言仍然不足，仍然需要使用外遮光罩加以第一級消雜光。本發明不但采用中間像設計消雜光，而且在中間像上附加采用消雜光光纖面板進一步過濾大于光纖臨界孔徑角的光線，使得消雜光能力大幅度提高，甚至可以不需要外遮光罩的第一級除雜光，即可滿足星敏感器的消雜光要求，不但如此，在第二級鏡頭成像的探測器焦面上再次使用光纖面板消除殘余雜光，使得消雜光能力進一步提高，因此本發明克服了現有技術中必須借助遮光罩消雜光帶來的問題，可以避免采用外遮光罩消雜光，對于星敏感器節約成本和提高性能具有實質的作用。
[0028]本發明的優勢在于，可以利用消雜光光纖面板選擇性通過某一范圍傳播方向的光線，使得強雜光源來的雜光，由于不滿足消雜光光纖面板的傳播方向范圍而不能傳播到光纖面板的出射端面，從而起到消雜光的作用。由于采用了消雜光光纖面板，不但使星敏感器光學系統本身具有了消雜光功能，而且還可以使得現有技術中的遮光罩尺寸和重量大幅度減小，甚至完全不用遮光罩，大幅度增強星敏感器的消雜光能力，并且減小了遮光罩得尺寸重量，節省成本和資源，更加便于星體上安裝，因此其技術優勢是明顯的，具有很強的創造性。
[0029]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為本發明整體結構示意圖。
[0031]圖中:1 一第一級鏡頭示意圖；2 —中間消雜光光纖面板；3—第二級鏡頭；4一探測器光纖面板；5—探測器光纖面板安裝結構；6—探測器安裝電路板基座；7—光學粘接膠層；8—光電探測器。
[0032]
【具體實施方式】
[0033]下面結合說明書附圖，對本發明做進一步詳細說明。
[0034]參看附圖1，本發明提出一種具有內消雜光特性的綜合性能優良的星敏感器光學系統成像結構，核心部分由第一級鏡頭1、中間消雜光光纖面板2、第二級鏡頭3、探測器消雜光光纖面板4、光電探測器8構成，4安裝在探測器光纖面板安裝結構5 ;探測器8安裝在探測器安裝電路板基座；8與4之間采用光學粘接膠層7粘合。第一次成像由一級鏡頭成中間像，第二次成像由二級鏡頭成最終像，兩次成像均為像方遠心光路，中間像處置中間消雜光光纖面板，最終像置探測器消雜光光纖面板。與現有技術相比較特點在于，在第一次成像采用一級鏡頭，第一級鏡頭成像平面處引入一種中間消雜光光纖面板，中間面板前端面與第一級鏡頭像面一致，中間面板的后端面作為第二次成像光學系統的目標，第二級鏡頭像面處安裝探測器光纖面板，在探測器光纖面板的出口面密貼光電探測器。
[0035]恒星目標輻射從無限遠入射到第一級鏡頭1，由第一級鏡頭成中間像，中間像面與中間消雜光光纖面板2的前段面一致，并通過光纖面板2傳導到光纖面板的后端面，從后端面出射的光場與前端面采集到的光場除了在整體能量上有衰減外，仍具有中間像的特性，光纖面板后端面作為第二級鏡頭3的物，經過第二級鏡頭3成像到探測器光纖面板4前端面，經過探測器光纖面板4傳到后端面，后端面與探測器8光敏面通過光學粘接膠密貼在一起，這樣探測器最終探測到探測器光纖面板后端面導出的光場分布。
[0036]所述的1、2、3、4、8的實施方案如前所述，整個光學系統結構內部除了通光通道夕卜，其余結構表面均作光吸收黑色處理，各個組件固定需要按照力學環境條件要求設計，組件固定方式應考慮同軸和傾斜調整余地，以便實現以光軸為中心的各個組件1、2、3、4、8的穿串調整。
實施例
[0037]如本發明所述成像結構，主要由第一級鏡頭1、中間消雜光光纖面板2、第二級鏡頭3、探測器消雜光光纖面板4、光電探測器8構成。4安裝在探測器光纖面板安裝結構5 ；探測器8安裝在探測器安裝電路板基座；8與4之間采用光學粘接膠層7粘合；第一次成像由一級鏡頭成中間像，第二次成像由二級鏡頭成最終像，兩次成像均為像方遠心光路，中間像處置中間消雜光光纖面板，最終像置探測器消雜光光纖面板。與現有技術相比較特點在于，在第一次成像米用一級鏡頭，第一級鏡頭成像平面處引入一種中間消雜光光纖面板，中間面板前端面與第一級鏡頭像面一致，中間面板的后端面作為第二次成像光學系統的目標，第二級鏡頭像面處安裝探測器光纖面板，在探測器光纖面板的出口面密貼光電探測器。
[0038]星敏感器成像系統整體指標為:焦距f' =64mm，光電探測器像素尺寸為5.5微米，視場2 ω =15°，相對孔徑=1/2。
[0039]第一級鏡頭性能參數確定:視場2 ω =15° ;焦距f' =32mm，相對孔徑=1/2，光譜段
0.45微米85微米，具有像方遠心光學系統結構，其成像彌散斑能量的80%集中于直徑為10微米，具有小于1%的畸變差，具有小于3微米的倍率色差，具有IOmm范圍的后截距，具有7片分離鏡片。
[0040]第二級鏡頭性能參數確定:放大倍率為2，孔徑角同第一鏡頭，光譜段0.45微米?0.85微米，具有雙遠心光學系統結構，其成像彌散斑能量的80%集中于直徑為10微米，光電探測器像素尺寸為5.5微米，具有小于1%的畸變差，具有小于3微米的倍率色差，具有IOmm范圍的后截距,具有8片分離鏡片。
[0041]中間消雜光光纖面板有效端面直徑8.5mm,厚度為5mm,光纖直徑為6微米,光纖之間隙填充黑色吸光物質。
[0042]探測器消雜光光纖面板有效端面直徑18mm，厚度為5mm，光纖直徑為6微米，光纖之間隙填充黑色吸光物質。
[0043]探測器感光面尺寸為型號CMV4000，光學粘接膠采用光學環氧膠。
[0044]上述的說明，僅為本發明的實施例而已，非為限定本發明的實施例；凡熟悉該項技藝的人士，其所依本發明的特征范疇，所作出的其它等效變化或修飾，如尺寸大小、材料選擇、或形狀變化等，皆應涵蓋在以下本發明所申請專利范圍內。
【權利要求】
1.一種具有中間像的星敏感器成像結構，其特征在于:包括第一級鏡頭(I)、中間消雜光光纖面板(2)、第二級鏡頭(3)、探測器消雜光光纖面板(4)和光電探測器(8);所述結構第一次成像由第一級鏡頭(I)成中間像，第二次成像由第二級鏡頭(3)成最終像，兩次成像均為像方遠心光路；所述中間消雜光光纖面板(2)設置在第一級鏡頭(I)的成像平面處，其前端面與第一級鏡頭(I)像面一致，后端面作為第二次成像的目標；所述探測器消雜光光纖面板(4 )安裝在第二級鏡頭(3 )的像面處，其出口面緊密貼合光電探測器(8 )。
2.如權利要求1所述一種具有中間像的星敏感器成像結構，其特征在于:所述第一級鏡頭(I)是一種具有像方遠心光學系統結構的光學系統，其成像彌散斑能量的80%集中于直徑為I個至3個光電探測器像素尺寸的圓內，具有小于3%的畸變差，具有小于1/2像素的倍率色差，具有10mm±5mm范圍的后截距,具有多片分離鏡片，具有從0.45微米到可近紅外0.9微米的光譜段，光學鏡頭的F數范圍在1.5到4，典型值是1.5、2、2.5、3、3.5、4。
3.如權利要求1所述一種具有中間像的星敏感器成像結構，其特征在于:所述第二級鏡頭(3)是一種具有物方像方雙遠心光學系統結構的光學系統,放大倍率為光電探測器(8)最大尺寸與中間像尺寸之比，其成像彌散斑能量的80%集中于直徑為I個至3個光電探測器像素尺寸的圓內，具有小于3%的畸變差，具有小于1/2像素的倍率色差，具有10mm±5mm范圍的后截距，具有多片分離鏡片，具有從0.45微米到可近紅外0.9微米的光譜段，光學鏡頭的F數范圍在2到4。
4.如權利要求1所述一種具有中間像的星敏感器成像結構，其特征在于:所述中間消雜光光纖面板(2)和探測器消雜光光纖面板(4)由若干具有5?20_長度的光纖并齊緊密排列而成，所有光纖等長排列，光纖面板的厚度等于每根光纖的長度，所有的光纖兩個端面均分別對齊，構成兩個合成的大面積有效端面，兩個大的有效端面是以小于10角秒的公差平行分布，當光學圖像在一個大端面進入后，經過光纖內部多次反射，在另一個大端面出射，這樣相當于把光學成像面平移了光纖面板厚度的距離。
5.如權利要求1所述一種具有中間像的星敏感器成像結構，其特征在于:所述光電探測器(8)為普通APS CMOS或者CXD成像器件，其前端入射窗口取下，其感光面與探測器消雜光光纖面板(4)采用光學粘接膠密貼粘合。
6.如權利要求1所述一種具有中間像的星敏感器成像結構，其特征在于:光纖面板內部的光纖之間縫隙填充黑色吸光材料，以防超過光纖全反射臨界孔徑入射的光線漏出光纖后進入像面；中間消雜光光纖面板的有效直徑應滿足星敏感器的有效視場要求，在滿足沒有漸暈條件下保證星敏感器全視場要求。
【文檔編號】G02B6/08GK103743398SQ201310698738
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月18日 優先權日:2013年12月18日
【發明者】郝云彩 申請人:北京控制工程研究所